云水資源利用對北三河流域農(nóng)田灌溉需水影響分析

田雪瑩 ，王高旭，吳永祥，吳 巍，劉 濤

(1.南京水利科學(xué)研究院 水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210029； 2.河海大學(xué) 水文水資源學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，我國部分地區(qū)水資源開發(fā)利用已接近或超過水資源和水環(huán)境承載能力，經(jīng)濟(jì)社會(huì)用水?dāng)D占生態(tài)環(huán)境用水的情況愈演愈烈，即使是水資源相對豐富的南方地區(qū)也存在缺水問題[1-2]。我國云水資源量巨大，每年水汽凈輸入量占水汽輸入總量的13%，這部分水汽凝結(jié)形成固態(tài)或液態(tài)的水凝物貯存在空中。未參與地表降水的形成、懸浮在大氣中待開采的水凝物便是云水資源[3-4]。根據(jù)《全國人工影響天氣發(fā)展規(guī)劃（2014—2020）》的研究結(jié)果，每年可利用的云水資源量為2 800 億m3，目前實(shí)際人工增雨量僅為500 億m3左右，約為每年可利用云水資源量的18%，故我國大陸上空的云水資源存在巨大的開發(fā)潛力[5]。我國從20世紀(jì)50年代起開展人工影響天氣作業(yè)來開發(fā)云水資源，逐漸將云水資源的利用從抗旱應(yīng)急變?yōu)槌B(tài)化的穩(wěn)定業(yè)務(wù)[6]。農(nóng)業(yè)是用水大戶，以往多通過調(diào)水工程滿足農(nóng)田灌溉需水，調(diào)水工程由于存在諸多問題，可發(fā)揮作用有限。合理開發(fā)云水資源，可解決由于調(diào)水工程的興建而帶來的諸多問題，直接用于調(diào)節(jié)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)用水，既提供新的用水來源又促進(jìn)農(nóng)田灌溉用水的經(jīng)濟(jì)高效利用。

云水資源利用，主要通過向云體播撒干冰、碘化銀等高效冷云催化劑[7-8]來達(dá)到降水目的。1949年，Bergeron建立第一個(gè)云概念模型，隨后大量學(xué)者開始探究結(jié)合靜力概念的云播方式應(yīng)用于增加降雨的可行性[9]。1958年，我國首次通過人工增雨有效緩解了吉林省的需水問題，此后多省紛紛開展人工影響天氣作業(yè)。經(jīng)過多年發(fā)展，我國人工影響天氣作業(yè)規(guī)模已達(dá)世界首位[10]。2020年，Zhou等[4,11-12]分析了云水資源的概念，提出了兩種量化云水資源的方法，進(jìn)一步為云水資源的利用提供了理論支撐。在理論與技術(shù)的不斷發(fā)展下，人工增雨技術(shù)日益成熟，人工影響天氣的應(yīng)用范圍也進(jìn)一步擴(kuò)大，對云水資源的利用也不再局限于應(yīng)急抗旱。

人工增雨對農(nóng)業(yè)的影響很大，研究人工增雨條件下的作物產(chǎn)量及需水情況十分必要。1948年，Penman推算出了計(jì)算水面、裸地和草地蒸發(fā)量的公式[13]；1963年，Monteith將表面阻力引入Penman公式，得到了Penman-Monteith公式[12]；1971年，Vonnegut通過對比人工降水前后降水量變化引起的農(nóng)作物產(chǎn)量變化情況，建立了產(chǎn)量-降水量區(qū)域回歸方程[8]。我國于1949年開始建試驗(yàn)站研究作物需水量[12]。1998年，謝森傳通過田間試驗(yàn)資料計(jì)算了棵間土面蒸發(fā)[14]；2012年，Zhang等對中國1956—2000年的降水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)出中國不同區(qū)域降水變化趨勢及春秋兩季的干旱風(fēng)險(xiǎn)對春小麥等生長期在春秋兩季作物的影響[15]；2013年，韓宇平等采用Penman-Monteith公式計(jì)算了淮河區(qū)主要作物的需水量[16]；2015年，Huang等通過分析美國東部1963—2011年降水?dāng)?shù)據(jù)，總結(jié)出生長季降水量-產(chǎn)量關(guān)系與重要月份降水量-產(chǎn)量關(guān)系[17]；2020年，李志等采用Penman-Monteith公式計(jì)算蘇北地區(qū)不同水文年冬小麥的需水量與灌水量，得到兩者的差異情況[18]。

農(nóng)田灌溉需水預(yù)測研究多采用Penman-Monteith公式及作物系數(shù)法計(jì)算單一作物需水量，繼而進(jìn)行灌溉需水計(jì)算[19]。以往研究多側(cè)重于天然降水下的農(nóng)田灌溉需水預(yù)測，以探求陸面水資源在各行業(yè)上的合理分配[20]。隨著人工增雨技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，人工增雨和農(nóng)田灌溉的結(jié)合應(yīng)用成為了新的研究方向。研究云水資源利用對農(nóng)田灌溉需水量的影響，對統(tǒng)籌云水資源與陸地水資源具有重大意義。因此，本文選擇北三河流域構(gòu)建農(nóng)田灌溉需水預(yù)測模型，結(jié)合Penman-Monteith公式進(jìn)行不同降水頻率、不同增雨情景下的農(nóng)田灌溉需水計(jì)算，為云水資源在農(nóng)田灌溉方向的應(yīng)用提供參考。

1 研究區(qū)概況和數(shù)據(jù)來源

北三河流域是北運(yùn)河、潮白河和薊運(yùn)河3個(gè)流域的統(tǒng)稱（圖1），地跨北京市、天津市、河北省，屬海河流域[21]。總體地形為北部山區(qū)，東南部平原，流域面積為3.58 萬km2，流域內(nèi)總?cè)丝跒? 486 萬。屬溫帶東亞季風(fēng)氣候，年降雨量變化大，時(shí)旱時(shí)澇，降水量年內(nèi)分配不均，汛期降水量占年降水量的80%～85%，尤以7—8月降水居多[22]。

圖1 北三河流域分布Fig.1 Distribution of the North Three Rivers Basin

北三河流域的水資源開發(fā)利用主要通過蓄水工程和跨流域調(diào)水工程實(shí)現(xiàn)。蓄水工程包括密云水庫、懷柔水庫、海子水庫、邱莊水庫、于橋水庫?？缌饔蛘{(diào)水工程包括南水北調(diào)中線工程和引灤入津工程。密云水庫處于燕山群山丘陵之間，是北京最大的也是唯一的飲用水源；懷柔水庫兼具防洪、蓄水、供水功能，儲(chǔ)蓄南水北調(diào)中線輸送水量，為北京市供水提供保障；邱莊水庫作為中轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)樞紐，在引灤入唐跨流域調(diào)水中發(fā)揮了巨大作用；于橋水庫是天津市唯一的水源地，集防洪、供水、灌溉、發(fā)電功能于一體，屬引灤入津工程。

在山區(qū)、平原區(qū)分區(qū)的基礎(chǔ)上，結(jié)合水系特點(diǎn)和行政區(qū)劃界線，可以將北三河流域劃分為11個(gè)計(jì)算單元，其中山區(qū)6個(gè)，平原區(qū)5個(gè)（表1）。

表1 北三河流域行政分區(qū)Tab.1 Administrative division of the North Three Rivers Basin

北三河流域涉及北京市、天津市和河北省3個(gè)行政區(qū)。作物需水量計(jì)算所需氣象數(shù)據(jù)資料來源于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)（http://data.cma.cn/）。本文選取張北、豐寧、密云等3個(gè)國家基準(zhǔn)氣象站和張家口、懷來、延慶、承德、遵化、北京、霸州、寶坻、天津、唐山、天津塘沽等11個(gè)國家基本氣象站2015年的逐日氣象數(shù)據(jù)。降水?dāng)?shù)據(jù)來源于北三河流域境內(nèi)14個(gè)國家氣象站1961—2018年間的降水?dāng)?shù)據(jù)。

對研究區(qū)域的農(nóng)田灌溉需水量，選擇播種面積較大的幾種主要農(nóng)作物，運(yùn)用農(nóng)田灌溉需水量計(jì)算模型進(jìn)行計(jì)算。選取原則為從大到小累加播種面積達(dá)95%的農(nóng)作物。研究區(qū)域選取的13種主要農(nóng)作物的播種面積來自人工增雨涉及區(qū)域的統(tǒng)計(jì)年鑒（見表2）。

表2 各計(jì)算分區(qū)主要農(nóng)作物面積Tab.2 Area of main crops in each calculation region 單位：ha

2 研究方法

基于Penman-Monteith公式，運(yùn)用土壤水量平衡法構(gòu)建農(nóng)田灌溉需水量預(yù)測模型，計(jì)算式為：

式中：Fg為農(nóng)田灌溉需水量（mm）；EC為作物需水量（mm）；P為降水量（mm）；DP為作物根區(qū)的深層滲漏量（mm）；RO為田間排走的地面徑流量（mm）；Pe為有效降水量（mm）。

2.1 作物需水量

作物需水量采用參考作物法計(jì)算，該方法具有較好的通用性和穩(wěn)定性，估算精度也較高。本文研究北三河流域13種主要農(nóng)作物的灌溉需水預(yù)測，單一作物的需水量計(jì)算式[23]如下：

式中：E1為單一參考作物蒸騰蒸發(fā)總量（mm）；KC為作物系數(shù)，指某階段作物需水量和參考作物需水量的比值，一般由實(shí)測資料確定，不同作物的作物系數(shù)、同種作物在不同生育期內(nèi)的作物系數(shù)一般不同。

參考作物需水量根據(jù)FAO56推薦的公式[23]計(jì)算：

式中：E0為參考作物的蒸散發(fā)速率（mm/d）；Rn為作物表面上的凈輻射（MJ/（m2·d））；G為土壤熱通量（MJ/m2·d）；T為離地面2 m高處日平均氣溫（℃）；u2為離地面2 m高處的風(fēng)速（m/s）；es為飽和水汽壓（kPa）；ea為實(shí)際水汽壓（kPa）；Δ為飽和水汽壓-氣溫關(guān)系曲線在T處的切線斜率（kPa/℃）；γ為溫度計(jì)常數(shù)（kPa/℃）。

2.2 有效降水量

有效降水量為滲入土壤并儲(chǔ)存在作物主要根系吸水層中的降水量，其數(shù)量為降雨量扣除地面徑流量和深層滲漏量[24]。在我國北方地區(qū)，次降水量不大，若雨強(qiáng)也不大，基本都能被儲(chǔ)蓄在田間土壤中，一般不會(huì)產(chǎn)生徑流或深層滲漏[25]。由于地面徑流量與深層滲漏量不易測得，國內(nèi)學(xué)者在研究中通常采用經(jīng)驗(yàn)公式法來計(jì)算有效降水量[25]，公式如下：

式中：Pe為有效降水量（mm/d）；Pa為實(shí)際次降水量（mm/d）；α為降水有效利用系數(shù)，當(dāng)Pa＜5 mm時(shí)，α取0，當(dāng)Pa為 5～50 mm 時(shí)， α取 0.8～1.0，當(dāng)Pa＞50 mm 時(shí)， α取 0.7～0.8。

3 結(jié)果與討論

3.1 云水資源分布及降水情況

選取北三河流域14個(gè)國家氣象站1961—2018年降水系列，利用泰森多邊形計(jì)算流域面雨量，通過排頻計(jì)算即將年降水量按從大到小排列，借助水文頻率分布曲線適線軟件求得該降水系列的相關(guān)參數(shù)，根據(jù)設(shè)計(jì)頻率反查年降水后選出對應(yīng)95%、75%、50%降水頻率的典型年，分別為2002年、2006年、1974年。結(jié)合典型年的年降水及北三河流域1961—2018年降水系列中對應(yīng)3種降水頻率的年降水量，通過同倍比法得到北三河流域未增雨時(shí)各計(jì)算分區(qū)在不同降水頻率下的降水情況。

由圖2（a）可知，北三河流域降水量整體變化趨勢基本符合“平水年降水量＞枯水年降水量＞特枯水年降水量”的規(guī)律。由于北三河流域內(nèi)各區(qū)域降水和月間降水不均，局部地區(qū)降水并不符合以上規(guī)律，如河北潮白河山區(qū)、唐山平原區(qū)等[26]。由圖2（b）可知，降水集中在5—9月，其中7月降水最多。

圖2 未增雨時(shí)北三河流域降水量Fig.2 Precipitation in North Three Rivers Basin without precipitation enhancement

根據(jù)中國氣象科學(xué)研究院數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出北三河流域2000—2017年云水資源和水凝物降水效率多年平均季節(jié)分布見圖3和4。由圖3可知，北三河流域云水資源夏季最為充沛，春秋相接近，冬季最少但也在300 mm以上。由圖4可知，夏季水凝物的降水效率較高，為32%～38%；冬季降水效率最低，在7.5%以下。結(jié)合云水資源分布情況，可見北三河流域上空的云水資源存在巨大的開發(fā)潛力。

圖3 北三河流域2000—2017年云水資源多年平均季節(jié)分布Fig.3 Annual average distribution of cloud water resources in North Three Rivers Basin from 2000 to 2017

圖4 北三河流域2000—2017年水凝物降水效率多年平均季節(jié)分布Fig.4 Annual average distribution of precipitation efficiency of hydrometeor in North Three Rivers Basin from 2000 to 2017

目前，國內(nèi)外進(jìn)行的人工增雨試驗(yàn)降水效果大致為10%～25%，我國進(jìn)行人工增雨作業(yè)的地區(qū)如祁連山、古田水庫等地，其試驗(yàn)降水效果也基本在25%以下[20]。結(jié)合實(shí)際降水效果，以及北三河流域多年平均云水資源分布及水凝物降水效率，同時(shí)為了體現(xiàn)梯度增雨對北三河流域農(nóng)田灌溉需水量的影響，本文對北三河流域設(shè)定了增雨頻率分別5%、10%、15%的3種人工增雨情景。

3.2 作物需水量

利用式（2）和（3）求得北三河流域各計(jì)算分區(qū)13 種作物的作物需水量，匯總得各計(jì)算分區(qū)逐月作物需水量見表3。根據(jù)逐月作物需水量求得北三河流域年度作物需水量為390 mm。由表3可以看出同一地區(qū)月間作物需水量相差較大，4—9月為所選農(nóng)作物的主要生長期，所以作物需水量較大；各分區(qū)在同一時(shí)段內(nèi)的作物需水量相近。

3.3 需水分布

利用農(nóng)田灌溉需水預(yù)測模型，模擬得到未增雨時(shí)北三河流域的農(nóng)田灌溉需水分布（圖5）?？梢?，河北薊運(yùn)河山區(qū)在50%頻率下的農(nóng)田灌溉需水情況較95%、75%降水頻率下有所緩解。其余地區(qū)在3種降水頻率下的農(nóng)田灌溉需水分布基本一致。北運(yùn)河山區(qū)、北京薊運(yùn)河山區(qū)、天津薊運(yùn)河山區(qū)、河北潮白河山區(qū)、廊坊市區(qū)等農(nóng)田灌溉需水相對較少；北京潮白河山區(qū)、北京平原區(qū)、廊坊東平原區(qū)等3個(gè)地區(qū)的農(nóng)田灌溉需水略多，為1～2 億m3；天津平原區(qū)、河北薊運(yùn)河山區(qū)、唐山平原區(qū)等地區(qū)農(nóng)田灌溉需水最多，皆在5 億m3以上。天津平原區(qū)的作物種植總面積最大，其農(nóng)田灌溉需水量卻并非最大，河北薊運(yùn)河山區(qū)的作物種植總面積約為天津平原區(qū)的1/3，但其農(nóng)田灌溉需水量卻比天津平原區(qū)多。結(jié)合圖2（a）可知，同一降水頻率下北三河流域各計(jì)算分區(qū)的降水差異并不大，造成農(nóng)田灌溉需水差距懸殊的原因主要在于作物種植結(jié)構(gòu)與種植面積的不同。

圖5 北三河流域未增雨時(shí)農(nóng)田灌溉需水分布Fig.5 Distribution of irrigation water shortage in North Three Rivers Basin without precipitation enhancement

3.4 多種增雨情景下不同降水頻率的農(nóng)田灌溉需水量

根據(jù)模擬結(jié)果可知，未增雨時(shí)北三河流域在95%、75%、50%降水頻率下的全年農(nóng)田灌溉需水量分別為274 717、261 493 和257 641 萬m3。由圖6（a）可知，夏季農(nóng)田灌溉需水量最多，其次是春秋兩季，冬季農(nóng)田灌溉需水量相對較少。由圖6（b）可知，北三河流域在95%、75%、50%降水頻率下的逐月農(nóng)田灌溉需水量相接近，變化趨勢也基本一致，8月份農(nóng)田灌溉需水量最高。

圖6 未增雨情景下北三河流域在各降水頻率下的農(nóng)田灌溉需水Fig.6 Irrigation water requirement of North Three Rivers Basin under different precipitation frequencies without precipitation enhancement

不同降水頻率下北三河流域在各增雨情景下的農(nóng)田灌溉需水變量見圖7。由圖7（a）～（c）可知，在3種降水頻率下北三河流域增雨后，夏季農(nóng)田灌溉需水減少量最多，春秋兩季次之，冬季最少。增雨5%、10%和15%時(shí)，夏季農(nóng)田灌溉需水減少量分別約超過600、1 200和1 800 萬m3，春秋兩季減少量約超過70、140和200 萬m3。分析圖7（d）～（f）中逐月農(nóng)田灌溉需水減少情況可知，在3種降水頻率下增雨后，6—8月農(nóng)田灌溉需水減少量較多，全年農(nóng)田灌溉需水減少量的70%都集中在這個(gè)時(shí)段，故秋季農(nóng)田灌溉需水減少量遠(yuǎn)高于其他季節(jié)；春季主要受4、5月降水影響，秋季主要受9、10月降水影響。

圖7 不同降水頻率下北三河流域在各增雨情景下的農(nóng)田灌溉需水變量Fig.7 Irrigation water requirement’s change of the North Three Rivers Basin under different rainfall scenarios with different precipitation frequencies

3.5 討 論

（1）作物種植結(jié)構(gòu)與種植面積影響農(nóng)田灌溉需水量。北三河流域種植作物多樣，主要有冬小麥、玉米、大白菜。天津平原區(qū)這3種作物種植面積遠(yuǎn)高于河北薊運(yùn)河山區(qū)，而農(nóng)田灌溉需水量卻略低于后者，這主要由于河北薊運(yùn)河山區(qū)花生的種植面積大，耗水較多。唐山平原區(qū)的冬小麥、玉米、大白菜的種植面積雖然低于天津平原區(qū)，但由于馬鈴薯、花生、棉花等種植面積也較大，故農(nóng)田灌溉需水量最多。經(jīng)查閱統(tǒng)計(jì)年鑒，北三河流域花生、棉花、馬鈴薯等作物單位面積產(chǎn)量低于谷物糧食，但由于其耗水大，所以這幾種作物種植面積對農(nóng)田灌溉需水的影響較大。

（2）云水資源利用可顯著減少農(nóng)田灌溉需水。由表4可知，隨增雨5%、10%、15%情景的改變，全流域農(nóng)田灌溉需水減少量及減少比例情況均增勢明顯。增雨15%時(shí)，3種降水頻率下農(nóng)田灌溉需水減少量在2 500 萬m3以上，農(nóng)田灌溉需水減少比例約1%，考慮人工增雨成本及現(xiàn)行水價(jià)，增雨效益十分可觀。

表4 不同降水頻率下增雨后北三河流域農(nóng)田灌溉需水減少量Tab.4 Reduction of irrigation water demand in North Three Rivers Basin after precipitation enhancement

（3）夏季（6—8月）增雨對農(nóng)田灌溉需水的影響效果較好。由表5可知，平水年、枯水年和特枯水年夏季增雨后農(nóng)田灌溉需水減少比例均最高，春秋兩季增雨后農(nóng)田灌溉需水減少比例相對較少。增雨15%時(shí)，3種降水頻率下的夏季農(nóng)田灌溉需水減少比例均在1.4%以上，春秋兩季農(nóng)田灌溉需水減少比例均在0.9%以下。這得益于夏季空中云水資源較為豐富，雖然水凝物降水效率較于春、秋、冬三季略高，但增雨后仍可對農(nóng)田灌溉需水產(chǎn)生較大的影響。

表5 云水資源利用下的北三河流域季節(jié)農(nóng)田灌溉需水減少比例Tab.5 Proportion of seasonal irrigation water demand reduction in North Three Rivers Basin under the utilization of cloud water resources 單位：%

（4）春、秋兩季適合對河北潮白河山區(qū)、天津平原區(qū)，河北薊運(yùn)河山區(qū)，唐山平原區(qū)等地增雨。由圖3、圖4可知，春季河北潮白河山區(qū)云水資源分布相對較多，秋季天津平原區(qū)、河北薊運(yùn)河山區(qū)、唐山平原區(qū)等地分布相對較多，各地云水資源量相差不大。此外，春秋兩季4個(gè)地區(qū)的水凝物降水效率均不高。由圖5可知，天津平原區(qū)、河北薊運(yùn)河山區(qū)、唐山平原區(qū)3個(gè)地區(qū)農(nóng)田灌溉需水最多，水資源供需矛盾最為突出；春秋兩季對天津平原區(qū)、河北薊運(yùn)河山區(qū)、唐山平原區(qū)增雨，降水直接作用于農(nóng)田，可有效緩解農(nóng)田灌溉缺水嚴(yán)重程度；河北潮白河山區(qū)需水較少，增雨后對流域整體的農(nóng)田灌溉需水情況影響較小，考慮春秋兩季對其增雨，意在提高水凝物降水效率，存蓄降水，通過水資源調(diào)配，進(jìn)一步發(fā)揮其效用。

4 結(jié) 語

（1）云水資源利用可對農(nóng)田灌溉需水產(chǎn)生明顯影響，增雨效益可觀；同時(shí)對北三河流域的作物種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，這將有效緩解農(nóng)田灌溉用水短缺現(xiàn)狀。隨著人工增雨技術(shù)的不斷發(fā)展，增雨效率有望進(jìn)一步提高，屆時(shí)云水資源利用將帶來更大的效益。在進(jìn)行作物種植結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，建議結(jié)合北三河流域各區(qū)域來水情況及可利用水資源分布情況研究作物種植結(jié)構(gòu)的調(diào)整方案，重點(diǎn)關(guān)注天津平原區(qū)、河北薊運(yùn)河山區(qū)、唐山平原區(qū)等農(nóng)田灌溉需水量較大區(qū)域。

（2）枯水年、特枯水年夏季適宜對北三河全流域增雨，春秋兩季適宜對河北潮白河山區(qū)、天津平原區(qū)，河北薊運(yùn)河山區(qū)，唐山平原區(qū)等地增雨。由于北三河流域汛期在7、8月份，在實(shí)行具體的人工增雨方案時(shí)，應(yīng)結(jié)合汛情實(shí)時(shí)分析，研判增雨條件及適合增雨時(shí)段。

（3）云水資源的利用為灌溉用水提供了新的來源渠道，同時(shí)也為水資源的優(yōu)化配置提供了新思路。從云水資源常態(tài)化利用研究來看，平水年及豐水年也可開展人工增雨作業(yè)。平水年、豐水年北三河流域上空云水資源較枯水年、特枯水年豐富，但目前較少實(shí)施人工增雨。若日后云水資源開發(fā)成為常態(tài)化業(yè)務(wù)，可在綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)和效益的基礎(chǔ)上，在云水資源更豐富的平水年、豐水年也進(jìn)行增雨，通過水利工程調(diào)配增加區(qū)域水資源可利用量，緩解流域可能出現(xiàn)的水資源短缺。